TESS en exteriores.

---- Nueva entrada actualizada de 2016.----

Aunque TESS fue pensado como complemento del telescopio en observación desatendida o remota, obviamente puede usarse exclusivamente para medidas de calidad de cielo. Para esto solo es necesario un receptaculo robusto para exteriores.

Los detalles de montaje de TESS están en este ENLACE y un documento un poco más detallado en ESTE pdf.  Las gráficas en tiempo real adquiridas con el presente montaje pueden seguirse AQUI.

 

En este caso se trata de un TESS con concentrador de luz, para estrechar el campo de medida. El concentrador es de plastico, del que llevan las linternas led. La ventana de corte UV-IR va encima del concentrador para protejerlo del UV.

  La termopila (opciónal [1]), debe estar directa al exterior, no puede ir detrás de un cristal ya que mediría la temperatura de este y no la del cielo. La he sacado aparte, pero embutiéndola en un zócalo para leds de 8mm y rellenando con epoxy para sellarla completamente .

Brillo del cielo en el eclipse de Luna 28-09-2015, Coslada. Horas en TU.

Nubes al atardecer el día del eclipse detectadas por la termopila.

Una vez más he recurrido a piezas de PVC, baratas y de fácil mecanización, en concreto un manguito de 75mm y tres tapones. Luego se ha pintado con imprimación especial para PVC y acabado con esmalte blanco brillo.

Algunos detalles del montaje en manguito de PVC.

Dado que el medidor no se calienta, para compensar el rocío y la nieve, he recurrido a un sistema que sin ser el más eficaz, porque no considera el punto de rocío, es muy simple y robusto. Se trata de un clasico termostato bimetal y una resistencia calefactora junto a la ventana. El termostato cierra a 5ºC, si se quiere asegurar mejor de 10ºC. La resistencia a colocar es función de la potencia que se quiera aplicar segun el clima. En mi caso he puesto una resistencia de 68 ohm para conseguir una potencia de 2w a 12v. Es necesario que la potencia nominal de la resistencia sea al menos el doble de la aplicada, en este caso vale una resistencia cementada de 5w.

 

La comunicacón normal es por USB o serie, auque aquí estoy probando un módulo wifi ESP8266 por lo que solo es necesario llevar alimentación.

TESS de intemperie colocado en la cubierta de un 9º piso, junto a una cámara allsky y un SQM-LE

El emplazamiento del sensor debe elegirse teniendo en cuenta que la suciedad sobre la ventana afectará a las medidas. Es preciso un acceso fácil para hacer limpiezas periódicas. Esto es especialmente cierto si se coloca  la termopila, su ventana es muy pequeña y enseguida se ensucia enmascarando la medida ya que en vez de medir los infrarojos del cielo mediremos los que emite la suciedad sobre la ventana.

[1] 

La termopila en la intemperie debe ser limpiada muy a menudo. En la foto de abajo vemos un ejemplo despues de 18 meses de funcionamiento en la estación EMA. La suciedad visible en la ventana induce un error de 18ºC. Y es lo que ha quedado despues de quitar el polvo con una brocha. Entre la capsula y la junta tórica aún se ve ese polvo africano que a veces trae la lluvia. Es por esto que el único detector de nubes realmente robusto para una intalación fija es el basado en peltier.

Es necesario limpiar la ventana de la termopila regularmente. En la foto, los restos dejados por una lluvia sahariana añaden un error de 8ºC a la medida.

Para cualquier aclaración estamos en el grupo de Yahoo ObservatorioRemoto. 

EMA & Cumulus.

Es posible usar otros programas meteorológicos con la estación EMA, basta activar los mensajes compatibles con estaciones Oregon WR918.  Los programas meteorológicos al uso tienen funcionalidades deseables desde el punto de vista meteorológico, como sacar gráficos de datos históricos, generar paginas web ó enviar ficheros por FTP.   El problema, lógicamente, es que estos programas no soportan las funciones especiales para el observatorio de la estación EMA. La solución es usar los dos programas simultaneamente. Esto implica comunicar la estación con dos programas por dos puertos serie, o bien que el programa EMA envié los datos al otro programa. Esto último es posible solo con Weather Display por TCP. La comunicación con Cumulus es muy sencilla, gracias a que puede leer los datos de un fichero en formato easyweather.dat, ahora generado continuamente por el programa EMA. Descripción rápida de Cumulus. Cumulus es un programa meteorológico bastante extendido, fácil de usar y gratuito.  He usado otros programas de pago, como Weather Display (bueno pero farragoso)  y Virtual Weather Statión, pero la verdad es que Cumulus cumple bastante bien. Su ventana principal es algo sosa, salvo por los relojes, quizás porque las gráficas no están visibles.

Ventana principal del programa.

Cuando entramos en las ventanas gráficas, resultan ser muy potentes y flexibles. En grande solo podemos ver una a la vez según la pinchemos. Admiten zoom y desplazamiento con el ratón del mismo modo que los gráficos EMA.

En la opción Seleccionar Gráfico tenemos acceso individual a cada variable.   

Algo que me gusta mucho es la facilidad para componer el gráfico de un periodo de tiempo elegido con las lecturas deseadas en la opción Select-A.Graph.

En Select-A-Graph podemos escoger variables y periodos de tiempo. Gráfico de presión y temperatura en 28 días.

Calidad de Cielo y Nubes.

Aquí nos encontramos con el problemilla de que una estación normal no tiene sensores de calidad de cielo y nubes. La solución que he encontrado en Cumulus es poner el brillo de cielo en temperatura interior y las nubes en humedad interior.

Combinación de los gráficos Ins.Hum e Ins.Temp pero representando al nivel de nubes y el brillo de cielo.

Paginas Web.

Cumulus puede generar páginas web bastante atractivas y subirlas por FTP a un servidor. Se puede acceder a los datos de todo el año y a las gráficas de 24h. En la web prácticamente se pueden ver las mismas presentaciones que en el programa en directo. 
 Aquí esta la página de mi estación como ejemplo: EMA Coslada.

Configuración de Cumulus. 
Para que Cumulus lea los datos EAM se configura la estación Easy Weather (using .dat file). Solo hay que poner el camino del fichero (abajo a la izquierda). El fichero easyweather.txt generado por EMA se encuentra en el mismo directorio donde se guardan las gráficas en jpg.

Ventana de configuración de la estación en Cumulus.

  

Cumulus puede crear páginas web y subirlas a internet por FTP. También puede subir otros ficheros a nuestra elección. Esto se configura en Configuration-Internet. En Site/Options se configura el servidor a donde enviar los ficheros y cada cuanto tiempo y en Files los ficheros que queremos subir. En la primera línea se marcan sus ficheros y en las diez líneas siguientes otros de nuestro interés.

Ejemplo de ventana de configuración de ficheros para enviar por FTP.

Conclusión.

Después de dos meses de uso continuado, creo que Cumulus es un buen complemento al programa EMA. Es un magnífico programa meteorológico, totalmente estable que además nos vale para enviar a la web por FTP tanto la página que el mismo crea como otros ficheros de nuestra cosecha.

Formación del Rocio.

 Este apunte es para mostrar unas medidas de temperatura y humedad que he realizado estas vacaciones para entender un poco como se forma el rocío durante la noche, por qué se forma antes en unos sitios que en otros y por qué se escarcha si el termómetro marca uno o dos grados positivos.

Podemos empezar centrando el tema con dos definiciónes de la Wikipedia:
"El rocío es un fenómeno físico-meteorológico en el que la humedad del aire se condensa en forma de gotas por la disminución brusca de la temperatura, o el contacto con superficies frías. "
"El punto de rocío o temperatura de rocío es la temperatura a la que empieza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire, produciendo rocío, neblina, cualquier tipo de nube o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha."

Relación entre temperatura, humedad y punto de rocío.

Y si alguien quiere profundizar, he encontrado un viejo trabajo que aunque enfocado a la agricultura, resulta bastante ameno de leer y aporta algunas ideas útiles para elegir el lugar de observación menos afectado por el rocío, se llama Rocío y Escarcha.

MOTIVACIÓN.
Aunque hace años que tengo una estación meteorológica pero la realización de esta medida especifica surge a raíz de debates y trabajos dentro de mi asociación astronómica local, AstroHenares.
Es bien sabido que la formación de rocío en el equipo astronómico portátil suele arruinar las salidas de observación de los aficionados si no se toman las medidas adecuadas: viseras y fajas calentadoras diversas.
 Como normalmente las observaciones se hacen en lugares aislados, se trabaja con baterías. Para no agotar las baterías del vehículo se llevan baterías portátiles y para no llevarlas de tamaño camión, se intenta ajustar el consumo de los calentadores a las necesidades de la noche, pero esto no es trivial.

Y continuado la historia de AstroHenares, resulta que mientras J. Antonio desarrollaba un circuito para optimizar la potencia entregada a los calentadores en función de los parámetros ambientales y del equipo usado, Oscar realiza cálculos teóricos para modelar el enfriamiento de diferentes tipos de telescopio.
Son estos cálculos teóricos los que despierta mi asombro y curiosidad. El trabajo de Oscar está aqui:
Amateur Telescope Lenses Heating
En resumen, para noches completamente despejadas y sin viento, los cálculos de Oscar, ponen sobre el papel como los objetos solidos pueden enfriarse por debajo de la temperatura ambiente, incluso decenas de grados  en observatorios de alta montaña. Es decir, podemos tener el aire a 2ºC y la lente del telescopio a -5ºC. Y lo cierto es que esto lo vemos todos los inviernos en nuestros coches: a veces su termómetro exterior marca uno o dos grados positivos pero tenemos que rascar el cristal porque se ha congelado, es decir está por debajo de cero.
Siendo así, no basta calcular el punto de rocío en función de la temperatura y humedad relativa del ambiente, para aplicar la potencia óptima a los calentadores es necesario conocer la temperatura real de la superficie a proteger, que es lo que intentaba conseguir J.Antonio.
El caso es que yo, como Santo Tomás, necesitaba meter el termómetro, y ver que ocurre en la realidad. Eso de que las cosas se enfríen por debajo del aire que las rodea me había dejado helado.

EL EXPERIMENTO.
He aprovechado la escapada navideña para hacer algunas medidas con sensores de cierta precisión. La idea ha sido ver como se enfría la chapa del techo de un coche y otra chapa suspendida en el aire.

El entorno de las medidas es un amplio patio trasero.

Los dos sensores deben estar a la misma altura, en estas noches despejadas y sin viento se produce una inversión térmica tal que la temperatura puede subir un grado por metro de altura en los primeros metros sobre el suelo (pag.10 de Rocío y Escarcha ).

Sensor de temperatura auxiliar DS1631 sujeto en el centro del techo del coche con cinta adhesiva de aluminio.

El sensor principal es el SHT11 y el auxiliar un DS1631, ambos bastante precisos. El offset entre ambos termómetros es practicamente nulo. Ambos son leídos por una placa EMA, cuyo programa almacena y representa gráficamente los datos.

Sensor de temperatura y humedad de SHT11  dentro de un protector de plástico.  Sujeta a la barra, una plancha de acero de 24x10x1mm donde se coloca la sonda auxiliar durante una hora al principio de la noche. Sobre la plancha también se forma rocío por debajo, aunque en menor cantidad.

LOS DATOS.
A continuación la representación gráfica de las lecturas obtenidas durante la noche. Los sensores se leen cada 5sg, cada punto de la gráfica es el promedio de un minuto.

Evolución de las medidas en una noche con humedad relativa del 95%. En negro la temperatura ambiente, en rojo temperatura de rocío y en gris la temperatura del sensor auxiliar.

Las sondas se colocan justo al ponerse el Sol y ya hay algo de roció sobre el techo del coche.
El sensor auxiliar está colocado sobre el techo salvo alrededor de las 20h, que se coloca sobre la chapa de acero durante una hora al principio de la noche.
El final de la gráfica es también interesante. Sale el Sol pero se nubla y hace algo de aire. El coche en ningún momento recibe sol directo, está a la sombra de una pared distante. En estas condiciones la temperatura del techo llega a superar a la ambiente.

Un fragmento de los datos almacenados al principio de la noche, en este caso promediados cada cinco minutos:

Hora             TAmb   HR%  TRocio  TAux
18:01:37        05,9    92,9    04,9    02,6
18:06:37        06,1    93,6    05,1    02,8
18:11:37        06,0    93,8    05,1    02,8
18:16:37        05,9    93,9    05,0    02,5
18:21:36        05,6    93,7    04,7    02,1
18:26:36        05,4    94,1    04,5    02,0
18:31:36        05,3    94,3    04,5    01,6
18:36:36        05,3    94,6    04,5    01,3
18:41:36        05,2    94,6    04,4    01,2
18:46:36        05,2    94,9    04,5    01,3
18:51:36        05,1    94,7    04,3    01,0
18:56:37        04,8    94,6    04,1    00,6
19:01:37        04,7    94,9    03,9    00,3
19:06:36        04,6    95,0    03,8    00,1
19:11:36        04,4    94,8    03,6    -0,1
19:16:36        04,4    94,9    03,7    -0,3
19:21:37        04,4    95,2    03,7    -0,3
19:26:37        04,5    95,4    03,8    -0,0
19:31:37        04,3    95,4    03,6    -0,1
19:36:36        04,2    95,5    03,6    01,0
19:41:36        04,5    95,7    03,9    04,4
19:46:36        04,1    95,3    03,4    03,5
19:51:37        03,7    95,5    03,1    02,9
19:56:37        03,9    96,2    03,4    03,2
20:01:37        03,9    95,9    03,3    03,1
20:06:37        03,9    96,0    03,3    03,3
20:11:36        04,0    96,3    03,5    03,5
20:16:37        04,0    96,5    03,5    03,5
20:21:37        03,7    96,3    03,2    03,2
20:26:37        03,6    96,2    03,0    02,9
20:31:37        03,3    96,0    02,7    02,8
20:36:37        03,1    96,1    02,5    02,5
20:41:37        03,2    96,6    02,7    02,7
20:46:37        03,5    96,7    03,0    03,0
20:51:37        04,2    97,2    03,8    04,1
20:56:37        03,9    97,1    03,5    03,8
21:01:37        03,6    96,6    03,2    02,9
21:06:37        03,4    96,5    02,9    00,2
21:11:37        03,1    96,2    02,6    -0,4
21:16:37        03,3    96,6    02,9    -0,4
21:21:37        03,2    96,4    02,7    -0,6
21:26:37        03,3    96,5    02,8    -0,5
21:31:37        03,3    96,5    02,8    -0,3
21:36:37        03,2    96,5    02,7    -0,2
21:41:37        03,3    96,5    02,8    -0,1
21:46:37        03,2    96,4    02,7    -0,4
21:51:37        02,9    96,2    02,4    -0,9
21:56:37        03,0    96,6    02,5    -1,0
22:01:37        02,8    96,5    02,3    -1,0
22:06:37        02,9    96,6    02,4    -0,8
22:11:37        02,7    96,4    02,2    -1,1
22:16:37        02,2    96,1    01,7    -1,8
22:21:37        02,2    96,4    01,8    -1,9
22:26:37        02,6    96,6    02,1    -1,3
22:31:37        02,5    96,6    02,0    -1,3
22:36:37        02,3    96,7    01,9    -1,1
22:41:37        02,4    96,7    01,9    -0,9
22:46:37        02,6    96,9    02,2    -0,6
22:51:37        02,5    96,7    02,0    -0,7
22:56:37        02,2    96,5    01,7    -1,4
23:01:37        02,2    96,6    01,8    -1,5
23:06:37        02,2    96,7    01,7    -1,6
23:11:37        02,3    96,8    01,8    -1,6
23:16:37        02,4    97,0    02,0    -1,0
23:21:37        02,4    97,0    02,0    -0,8
23:26:37        02,3    96,9    01,8    -0,9
23:31:37        02,2    97,0    01,8    -0,7
23:36:37        02,4    97,1    02,0    -0,4
23:41:37        02,5    97,1    02,1    -0,1
23:46:37        02,7    97,2    02,3    00,1
23:51:37        02,7    97,2    02,3    00,4
23:56:37        02,6    97,3    02,3    00,5


En resumen:
- El techo del coche llega a estar 4ºC por debajo de la temperatura ambiente.
- La chapa de acero sigue la temperatura de rocío, a unas décimas de la temperatura ambiente.


CONCLUSION.
Aunque solo es un pequeño experimento, queda demostrado que en noches despejadas y sin viento, los objetos en la intemperie pueden enfriarse consideráblemente por debajo de la temperatura ambiente porque el intercambio de calor predominante es por radiación.
Consecuencia de lo anterior es que empieza a formarse rocío primero en los objetos que se enfrían más rápido y alcanzan antes la temperatura de rocío.
La magnitud de ese enfriamiento por debajo del ambiente depende mucho del material en cuestión y de como está orientado.
Es de suponer que objetos capaces de acumular mucha energía del Sol durante el día, como una gran roca, siempre estarán por encima de la temperatura ambiente de la noche.

En el presente caso:
- La chapa del techo tiene un fuerte aislamiento inferior, su transferencia termica es solo hacia arriba por lo que radia hacia el cielo, no recibe otra radiación y se enfría rápidamente a 4ºC por debajo del ambiente.
- La chapa de acero suspendida horizontalmente intercambia calor en todas direcciones, por lo que también recibe radiación del suelo y permanece a la temperatura de rocío, unas décimas por debajo de la temperatura ambiente.

Contaminación Lumínica y Columna de Agua Atmosférica.

En el año 2007, gracias a la  iniciativa internacional Starlight, la UNESCO declara el Cielo Nocturno como Patrimonio Científico, Cultural y Medioambiental de la Humanidad. 

Gracias al trabajo y tesón de los expertos, y también de algunos aficionados a la Astronomía, la sociedad va comprendiendo la  necesidad de conservar la calidad del cielo nocturno. 
En los últimos años, bien para colaborar en el control de la contaminación (Celfosc, NIXNOX), o simplemente para saber como es nuestro lugar de observación,  se hacen medidas  con medidores de mano SQM. Pero cualquier observador del cielo sabe que no todos los días despejados son iguales. Hay días más "azules" que otros, como noches mas "limpias" que otras. 

Por mi parte, en varios años observando las curvas de brillo generadas por la estación meteorológica EMA veo sin mucho esfuerzo que esas curvas oscilan a lo largo de la noche y entre unas noches y otras.  Se supone que las medidas en noches despejadas sin Luna deberían ser iguales, suponiendo que el alumbrado publico no ha cambiado. 

La variación en estas medidas pone números a lo dicho anteriormente, que no todas las noches son iguales. O sea, que las medidas de contaminación lumínica se ven afectadas por otros parámetros que no tenemos: aerosoles atmosfericos, humedad etc. 

Sería interesante conocer esos parámetros a fin de mejorar y comprender las medidas de contaminación lumínica.

La verdad, no tenía la menor idea de por donde empezar. Había un parámetro atmosférico del que había oído hablar y del que apenas sabía nada, y menos de como medirlo: la columna de vapor de agua. Sabía que la usan en algunos observatorios, por lo que tenía cierta curiosidad.

Mapa mundial de columna de agua según el satelite Aqua/MODIS para los últimos días de Mayo de 2014.

Buscando información al respecto, encontré hace dos semanas un articulo de David R. Brooks y otros, publicado por la American Meteorological Society en 2011:

Measuring Total Column Water Vapor by pointing an infrared thermometer at de Sky.

En él se analiza el uso de termometros IR de mano para medir la columna de agua atmósferica, pero lo bueno es que habla de la relación entre columna de agua y transparencia atmosférica.

Ya conocía a Brooks por usar diodos led como sensores monocromáticos en la fabricación de instrumentos de medida atmosféricos baratos para el programa GLOBE. De hecho Brooks ya había fabricado un fotometro con leds para medir la columna de agua y el espesor de los aerosoles. Lo bueno es que para  la columna de agua es mucho más sencillo con termometro IR que con leds. 

Y la buena noticia por mi parte, es que casualmente hace ya un año, añadí  un termometro IR a la estación EMA con el propósito de redundar su sensor de nubes basado en peltier. Pero además, resulta que he instalado ese mismo termómetro en el TESS (Telescope Encoder & Sky Sensor), que ya va estando en posesión de algunos aficionados.

Resumiendo, creo que un simple termómetro de infrarojos puede complementar y mejorar las medidas de contaminación lumínica. Por mi parte, el programa EMA empezará a guardar las lecturas de temperatura aparente del cielo para una posterior calibración. Una vez calibrado el sensor IR, se podrá estudiar la relación entre el agua en la atmósfera y las medida de brillo que toma la estación.

Como me ha parecido muy interesante, pongo un resumen de resultados del articulo:
Midiendo la Columna Total de Vapor de Agua 
apuntando un termometro de infrarojos al cielo.
por Forrest M. Mims III , Lin Hartung Chambers, and David R. Brooks

Se llama columna de vapor o agua precipitable al espesor de agua que resultaría de condensar todo el vapor de agua contenido en una columna vertical de atmósfera.

Se mide con fotómetros solares, que comparan la luz recibida en dos bandas de luz, una que es atenuada por el agua y otra que no. También se calcula analizando las señales de satélites GPS cuya propagación se ve afectada por la cantidad total de agua que atraviesan.

La cantidad de agua contenida en la atmósfera es de gran importancia para la meteorología, pero también es de interés en la observación astronómica, ya que incluso en días completamente despejados, la cantidad de agua contenida en la atmósfera, mezclada con los aerosoles atmosmféricos higroscópicos, influye en la transparencia del cielo.

Dos años comparando la temperatura aparente del cielo en el zenith tomada con termómetro IR y el agua precipitable ( precipitable water, PW, a la dercha) medida con un instrumento de referencia. Lugar del experimento situado a 27ºN y 97ºW

A continuación vemos los resultados obtenidos en los dos años que dura el estudio en base a dos termómetros IR comparando con un fotómetro Microtops II de una estación próxima.  La curva roja representa el ajuste a una exponencial. Se observa como cada uno requiere su propia calibración.

Termometro de mano modelo OS540.

Termómetro de mano modelo IRT0421.

En la siguiente tabla aparece la comparativa completa de cinco termómetros. En las líneas inferiores hay dos intrumentos de referencia, un fotómetro y uno basado en GPS. Ambas referencias estaban situados a 30 Km de distancia. Entre los dos intrumentos de referencia también se observan diferencias.

En resumen, la columna total de agua precipitable en la atmósfera puede medirse razonablemente bien con un simple termómetro IR calibrado adecuadamente.
En el articulo, la referencia de calibración era una estación próxima de la NOAA, la agencia americana de meteorológia, que ofrece el histórico de medidas online.